Tecnología - X (Diez) Curiosidades

Ingenieros civiles encuentran ahorros donde las llantas tocan el camino

Asfalto carreteras — Imagen: Mehdi Akbarian

Estudio muestra que la deformación del pavimento bajo las llantas del vehículo crea una conducción en subida que incrementa el consumo de combustible.

Denise Brehm, Ingeniería Civil y Ambiental. Original (en inglés).

Un nuevo estudio por ingenieros civiles en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) muestra que usar pavimentos más rígidos en los caminos de los Estados Unidos podría reducir el consumo de combustible de vehículos hasta en un tres por ciento – un ahorro que representaría 273 millones de barriles de petróleo crudo por año, o $15.6 miles de millones de dólares al precio del combustible de hoy en día. Esto sería acompañado por un decremento anual en emisiones de CO₂ de 46.5 millones de toneladas métricas.

El estudio, lanzado en un reporte reciente revisado por expertos, es el primero en usar modelado matemático en lugar de experimentos en el camino para ver el efecto del deformado del pavimento sobre el consumo de combustible del vehículo a través de la red de caminos entera de los Estados Unidos. Un artículo sobre este trabajo también ha sido aceptado para su publicación más tarde este año en el Registro de Investigación de la Transportación.

Al modelar las fuerzas físicas trabajando cuando una llanta de caucho rueda sobre el pavimento, los autores del estudio, el profesor Franz-Josef Ulm y el estudiante de doctorado Mehdi Akbarian, concluyen que debido a la manera en que la energía es disipada, el máximo desvío de la carga está detrás de la trayectoria del viaje. Esto tiene como efecto el hacer que las ruedas del vehículo manejen continuamente hacia arriba en una ligera cuesta, lo que incrementa el uso del combustible.

La deformación bajo las ruedas es similar a la de la arena en la playa bajo el pie: Con cada paso, el pie entra en la arena de talón a dedos, requiriendo que el peatón gaste más energía que cuando está caminando en una superficie dura. En los caminos, incluso con un incremento de uno por ciento en el consumo adicional de energía deja una huella ambiental substancial. Pavimentos más rígidos – que pueden ser alcanzados al mejorar las propiedades de los materiales o incrementando el grosor de las capas de asfalto, cambiando a una capa de concreto o estructuras compuestas de asfalto y concreto, o cambiando el espesor o composición de las sub-capas del camino – reduciría la deformación y reduciría la huella.

“Este trabajo es literalmente donde la llanta toca el camino”, dice Ulm, profesor en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. “Tenemos que encontrar maneras de mejorar la huella ambiental de nuestra infraestructura de caminos, pero todos los estudios empíricos previos para determinar los ahorros de combustible veían el impacto de la dureza y el tipo de pavimento para algunos pocos escenarios no concluyentes, y los hallazgos a veces diferían por una orden de magnitud. ¿En dónde encuentras caminos idénticos en los mismos suelos bajo las mismas condiciones?, no puedes. Tienes efectos secundarios. El acercamiento empírico no funciona. Así que usamos análisis estadístico para evitar esos efectos secundarios.

El nuevo estudio define los parámetros clave involucrados en analizar las propiedades estructurales (grosor) y materiales (rigidez y tipo de subrasante) de pavimentos. El modelo matemático está por lo tanto basado en el comportamiento mecánico real de los pavimentos bajo carga. Para obtener sus resultados, Ulm y Akbarian alimentaron su modelo de datos de 5,643 secciones representativas de los caminos de los Estados Unidos tomadas de los conjuntos de datos de la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos. Estos datos incluyen información sobre los materiales de la superficie y subyacentes de pavimentos y los suelos debajo, así como el número, tipo y peso de los vehículos usando los caminos. Los investigadores también calcularon e incorporaron el área de contacto de las llantas del vehículo con el pavimento.

Ulm y Akbarian estiman que los efectos combinados de la dureza del camino y la deformación son responsables por un promedio anual de consumo de combustible extra de 7,000 a 9,000 galones (26,498 litros a 34,069 litros) por cada 1,609 metros de carretera en caminos de alto volumen (sin incluir los caminos más pesadamente transitados) en los 13.68 millones de kilómetros de carreteras que forman la red de caminos en los Estados Unidos. Dicen que hasta el 80 por ciento del consumo extra de combustible, en exceso al uso normal de combustible de los vehículos, podría ser reducido a través de mejoras en las propiedades básicas del asfalto, concreto y otros materiales utilizados para construir los caminos.

“Estamos desperdiciando combustible innecesariamente porque el diseño del pavimento ha estado basado solamente en minimizar el costo inicial más que el desempeño – qué tan bien se mantiene el pavimento – cuando también se deberían tomar en consideración la huella ambiental de los pavimentos basado en variaciones de condiciones externas”, dice Akbarian. “Ahora podemos incluir los impactos ambientales, el desempeño del pavimento y – eventualmente – un modelo de costo para optimizar el diseño del pavimento y obtener el costo más bajo y el impacto ambiental más bajo con el mejor desempeño estructural”.

Los investigadores dicen que el costo inicial extra por mejores pavimentos rápidamente se pagaría a sí mismo no solo en eficiencia del camino y en emisiones de CO₂ reducidas, sino también en costos de mantenimiento reducidos.

“Hay un concepto erróneo de que si quieres ser más amigable con el entorno tienes que gastar más dinero, pero eso no es necesariamente verdad”, dice Akbarian. “En mejor diseño del pavimento sobre el tiempo de vida ahorraría mucho más dinero en costos de combustibles que el costo inicial de las mejoras. Y los departamentos de transportación de los estados ahorrarían dinero mientras reducen su huella ambiental en el tiempo, porque los caminos no se deteriorarán tan rápido”.

Esta investigación fue conducida como parte del Centro de Sustentabilidad del Concreto (Concrete Sustainability Hub) en el MIT, que está patrocinado por la Asociación del Cemento de Portland y la Fundación de Investigación y Educación del Concreto Mezclado Listo, con la meta de mejorar la huella ambiental de esa industria.

“Este trabajo no es sobre el asfalto contra el concreto”, dice Ulm. “La meta final es hacer la infraestructura de nuestra nación más sustentable. Nuestro modelo ayudará a hacer esto posible al darle a los ingenieros del pavimento una herramienta para incluir sustentabilidad como un parámetro del diseño, al igual que la seguridad, el costo y la calidad del paseo”.

“Esta investigación del MIT es pionera de un rigoroso marco de trabajo matemático relacionando el consumo de combustible con la deformación del pavimento predicha matemáticamente. Este marco de trabajo deja un cimiento para el desarrollo continuo y la mejora futura de modelos avanzados de interacción pavimento-vehículo”, dice Lev Khazanovich, un profesor de ingeniería civil en la Universidad de Minnesota quien no estuvo involucrado en esta investigación. “La integración de los resultados de este estudio con la Guía de Diseño de Pavimento Mecanístico-Empírico recientemente adoptada por la Asociación Americana de Oficiales de Transportación de Carreteras Estatales permitirá a las agencias de transporte tomar en consideración el consumo de energía del tráfico en las decisiones de diseño del pavimento. Esto hace la investigación de Akbarian y Ulm especialmente importante el día de hoy a la luz de los esfuerzos de las agencias de transporte por reducir la huella ambiental del sistema de transportación”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

La elusiva capacidad de las redes

Elusiva capacidad de networks — Imagen: Christine Daniloff

Calcular la capacidad total de una red de datos es un problema notoriamente difícil, pero los teóricos de la información están comenzando a hacer algo de progreso.

Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés).

En sus primeros años, la teoría de la información – que nació de un artículo histórico en 1948 por alumno del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y futuro profesor Claude Shannon – estuvo dominado por investigación de códigos de corrección de errores: ¿Cómo codificas la información para garantizar su transmisión fiel, aún en presencia de influencias corruptoras que los ingenieros llaman “ruido”?

Recientemente, uno de los desarrollos más intrigantes en la teoría de la información ha sido una tipo diferente de codificación, llamado codificación de red, en el que la pregunta es cómo codificar información para maximizar la capacidad de una red como conjunto. Para los teóricos de la información, era natural preguntar cómo estos dos tipos de codificación podían ser combinados: Si quieres a la vez minimizar los errores y maximizar la capacidad, ¿Qué tipo de codificación aplicas dónde, y cuándo haces la decodificación?

Lo que hace la pregunta particularmente difícil de responder es que nadie sabe cómo calcular la capacidad de datos de una red como un todo – o incluso si puede ser calculada. No obstante, en la primera mitad de un artículo de dos partes, que fue publicado recientemente en Transacciones de Teoría de la Información del IEEE, Muriel Médard del MIT, Michelle Effros del Instituto de Tecnología de California y el fallecido Ralf Koetter de la Universidad de Tecnología en Munich muientras que en una red cableada, la codificación de red y la codificación de corrección de errores pueden ser manejadas separadamente, sin reducción en la capacidad de la red. En la próxima segunda mitad del artículo, los mismos investigadores demuestran algunos límites en las capacidades de las redes inalámbricas, que podría ayudar a guiar investigación futura tanto en la industria como en la academia.

Una red de datos típica consiste de un arreglo de nodos – que podrían ser ruteadores en el Internet, estaciones base inalámbricas e incluso unidades de procesamiento en un solo chip – cada uno de los cuales puede comunicarse directamente con un algunos de sus vecinos. Cuando un paquete de datos llega a un nodo, el nodo inspecciona su información de direccionamiento y decide por cual de los varios caminos enviarlo.

Confusión calculada

Con la codificación de redes, por otro lado, un nodo revuelve los paquetes que recibe y envía los paquetes híbridos por caminos múltiples; en cada nodo subsecuente ellos son revueltos de nuevo en diferentes formas. Contraintuitivamente, esto puede incrementar significativamente la capacidad de la red entera: Paquetes híbridos llegan a su destino por caminos múltiples. Si uno de estos caminos está congestionado, o si uno o más de sus vínculos falla completamente, los paquetes que llegan por los otros caminos probablemente contendrán suficiente información para que el recipiente pueda armar el mensaje original.

Pero cada vínculo entre los nodos podría ser ruidoso, así que la información en los paquetes también necesita ser codificada para corregir errores. “Supón que soy un nodo en una red, y veo una comunicación entrando, y está corrupta por ruido”, dice Médard, una profesora de ingeniería eléctrica y ciencia computacional”. Podría tratar de remover el ruido, pero al hacer eso, estoy en efecto tomando una decisión justo ahora que quizá habría sido mejor tomada por alguien que podría tener más observaciones de la misma fuente.

Por otro lado, dice Médard, si un nodo simplemente reenvia los datos que recibe sin realizar ninguna correción de errores, podría terminar despilfarrando ancho de banda. Si el nodo toma toda la señal y no reduce su representación, entonces podría estar usando mucha energía para transitar ruido”, dice ella. “La pregunta es, ¿cuánto del ruido remuevo, y cuánto dejo?”.

En su primer artículo, Médard y sus colegas analizan el caso en el que el ruido en un vínculo dado no está relacionado a las señales viajando sobre otros vínculos, como sucede con la mayoría de las redes cableadas. En ese caso, mostraron los investigadores, los problemas de corrección de error y la codificación de red pueden ser separados sin limitar la capacidad de la red entera.

Vecinos ruidosos

En el segundo artículo, los investigadores abordan un caso en el que el ruido en un vínculo dado está relacionado a las señales en los otros vínculos, como es el caso de la mayoría de las redes inalámbricas, ya que las transmisiones de estaciones base vecinas pueden interferir una con la otra. Esto complica las cosas enormemente: En efecto, Médard apunta, los teóricos de la información aún no saben como cuantificar la capacidad de una simple red inalámbrica de tres nodos, en la que dos nodos se envían mensajes uno al otro por medio de un tercer nodo.

No obstante, Médard y sus colegas muestran ahora cómo calcular los límites superior e inferior en la capacidad de una red inalámbrica dada. Mientras que la brecha entre los límites puede ser muy grande en la práctica, conocer los límites todavía podría ayudar a los operadores de redes a evaluar los beneficios de investigación futura sobre codificación de red. Si la tasa de transferencia observada en una red en el mundo real está por debajo del límite inferior, el operador conoce la mínima mejora que el código ideal proveería; si la tasa de transferencia observada está por encima del límite inferior y por debajo del límite superior, entonces el operador conoce la máxima mejora que el código ideal podría proveer. Incluso si la máxima mejora solo traería un pequeño ahorro en los gastos operacionales, el operador podría decidir que investigación adicional en codificación mejorada no vale el dinero.

“El teorema de separación que ellos probaron es de interés fundamental”, dice Raymond Yeung, un profesor de ingeniería de información y co-director del Instituto de Codificación de Red en la Universidad China de Hong Kong. “Mientras que el resultado en sí mismo no es sorprendente, es algo inesperado que pudieron probar el resultado en un ajuste tan general”.

Yeung advierte, sin embargo, que mientras que los investigadores han “descompuesto un problema muy difícil en dos”, uno de esos problemas “sigue siendo muy difícil. … El límite en términos de la solución a otro problema que es difícil de resolver”, dice. “No está claro que tan ajustado es este límite; eso necesita investigación adicional”.

Reimpreso con permiso de MIT News.

Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)

Midiendo rayos X transitorios con ojos de langosta

x-ray Langosta — Imagen: NASA/Debora McCallum

Una tecnología que imita la estructura de los ojos de una langosta se está aplicando ahora a un nuevo instrumento que podría ayudar a revolucionar la astronomía por rayos X y la seguridad de los astronautas en la Estación Espacial Internacional.

Científicos del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, están desarrollando el “Detector de rayos X Transitorios Langosta”, que esperan implementar en la Estación Espacial Internacional en tres o cuatro años. Desde su posición privilegiada en la estación orbital, el instrumento transversal que actualmente está siendo desarrollado por Jordan Camp, Scott Barthelmy y Gerry Skinner podría detectar con una precisión sin precedentes rayos X transitorios – los fugaces, difíciles de capturar, fotones de alta energía producidos durante las fusiones de un agujero negro y una estrella de neutrones, supernovas y estallidos de rayos gama, creadas mucho más lejos en el universo primitivo.

Pero la tecnología del ojo de langosta también podría llevar a cabo otro trabajo muy necesario.

Podría comprobar si hay fugas de amoníaco en la Estación Espacial Internacional – un problema que los ingenieros del Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas, han identificado como necesitada de una solución. El amoníaco anhidrido, un compuesto tóxico de nitrógeno e hidrógeno, se utiliza como un refrigerante que ayuda a regular la temperatura a bordo de la Estación. En la actualidad, las fugas se escuentran a niveles aceptables, pero un aumento repentino podría suponer serios riesgos a los astronautas, Dijo Camp.

Nueva aplicación para tecnología establecida

La tecnología Langosta no es nueva. En primer lugar concebida como una radiografía del monitor de todo el cielo por el científico Roger Angel de la Universidad de Arizona en la década de 1970, imita la estructura de los ojos del crustáceo, que se compone de celdas largas y estrechas que cada una captura una pequeña cantidad de luz, pero desde muchos ángulos diferentes. Solo entonces es la luz enfocada en una sola imagen.

La óptica de los instrumentos de rayos X de la Langosta funcionarían de la misma manera. Sus ojos son una placa de microcanal, una losa delgada y curva de material salpicado con pequeños tubos a través de la superficie. La luz de rayos X entra en estos tubos desde múltiples ángulos y se enfoca a través de reflexión incidental de pastoreo, dando a la tecnología un amplio campo de visión necesario para encontrar y crear la imagen de eventos transitorios que no se pueden predecir con antelación. El detector Langosta es único en que es altamente sensible y proporciona un amplio campo de visión y de alta resolución angular, dijo Camp.

Desde que Angel concibió por primera vez el concepto, los astrónomos de la Universidad de Leicester en Leicester, Inglaterra, han madurado la tecnología y han construido un instrumento para volar en BepiColombo, una misión a Mercurio desarrollada conjuntamente por la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón. ESA planea lanzar la nave espacial en 2014.

Lo que es nuevo es “lo que queremos hacer con él”, Camp dijo. “La innovación está utilizando la tecnología Langosta para una aplicación transversal. Queremos utilizar la tecnología en una nueva forma para promover tanto la astrofísica como los vuelos espaciales tripulados”.

Para avanzar en el concepto de doble uso, el equipo está usando Desarrollo e Investigación Interna Goddard y apoyo del jefe del Fondo de Innovación del Centro de Tecnología de la oficina de la NASA, para ensamblar y probar un prototipo equipado con una placa de microcanal disponible en el mercado, un detector de dispositivo de carga acoplado, y la electrónica asociada.

Recolección de rayos X transitorios de campo amplio

Con su sensibilidad aumentada y un amplio campo de visión, dijo Camp, el instrumento podría ser capaz de detectar emisiones de rayos X transitorios desde una gran porción del cielo, dando a los científicos una vista sin precedentes de fusiones de agujeros negros, supernovas, e incluso explosiones de rayos gama en el universo muy lejano. Los rayos X transitorios son ahora difíciles de detectar debido a que estas fuentes iluminan sin previo aviso y luego desaparecen con la misma rapidez.

Él también cree que el instrumento podría trabajar en conjunto e incluso extender la sensibilidad del Observatorio de Ondas gravitacionales de Interferómetro Láser (LIGO -Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), un experimento financiado por la Fundación Nacional de Ciencia que ha buscado las ondas gravitacionales desde 2002. Las ondas gravitacionales, postuladas por vez primera por Albert Einstein, son débiles ondulaciones en el espacio-tiempo que teóricamente suceden durante eventos poderosos masivos, tales como los agujeros negros o fusiones de estrellas de neutrones binarias.

Los detectores de ondas gravitacionales no se localizan bien. Usado en conjunto con el detector Langosta enfocándose, sin embargo, los científicos serían capaces de concentrarse en la localización de la fuente, dijo Camp.

Detección de fugas de amoníaco en la Estación Espacial Internacional

Igual de emocionante, Camp dijo, es la forma en que podría utilizar la tecnología para detectar fugas de amoníaco. El amoníaco anhidro corre a través de tubos conectados a enormes paneles del radiador, localizados fuera de la Estación Espacial Internacional. Como el amoníaco circula a través de tubos, se libera calor en forma de radiación infrarroja. En resumen, ayuda a regular temperaturas a bordo. Posiblemente debido a impactos de micrometeoritos o estrés térmico-mecánico, estás lineas actualmente tienen fugas.

La tecnología Langosta podría ayudar, dijo Camp. Con esta aplicación, sin embargo, el instrumento podría requerir la adición de un dispositivo especializado llamado un cañón de electrones, que podría bombardear las superficies con haces de electrones en niveles específicos de energía. Los elementos que entran en contacto con estos haces de electrones se excitan, produciendo rayos X en niveles específicos de energía.

En este caso, el instrumento, una vez conectado al brazo robótico de la estación espacial, se extendería sobre las líneas de refrigerante y paneles del radiador en busca de nitrógeno, y más específicamente los rayos X generados por el elemento. Si los rayos X del nitrógeno son detectados, su presencia puede indicar fugas ya que el amoníaco que es un compuesto de nitrógeno e hidrógeno.

Skinner ha tomado la delantera en el ensamblaje y las pruebas, un prototipo detector de comprobación de fugas y ha logrado recientemente producir exitosamente una imagen de rayos X de una pequeña fuga de nitrógeno en un sistema de vacío de laboratorio. Barthelmy, mientras tanto, está estudiando los problemas del sistema involucrado en el despliegue de un sistema langosta de uso doble en la estación espacial internacional.

“Muchas personas están entusiasmadas con las posibilidades de este instrumento transversal por excelencia”, dijo Camp. “Con ayuda de nuestro programa IRAD, planeamos avanzar en los niveles de preparación tecnológica de nuestro instrumento propuesto. Veremos a donde va. Creemos que tiene un gran potencial”.

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

SpaceX aborta intento de lanzamiento de Falcon 9

El Falcon 9 de SpaceX abortó su lanzamiento del 19 de mayo momentos después de que en sus motores de encendido detectaron presiones de lectura mayores que lo permitido. La presión del motor central se elevó encima de los límites y un apagado ocurrió un medio segundo antes del despegue, dijeron los funcionarios de SpaceX.

El próximo intento de lanzamiento podría ser tan pronto como el martes 22 de mayo, pero esa determinación no se hará hasta que el motor en sí mismo sea inspeccionado, dijo Gwynne Shotwell, presidente de Tecnologías de Exploración Espacial de Hawthorne, California, conocida como SpaceX. También hay una posibilidad el 23 de mayo.

“Tuvimos un arranque nominal de los 9 (motores)”, dijo Shotwell. “El motor 5 empezó muy bien y (su cámara de presión) inició una tendencia a la alta”.

Ella dijo que la alta presión podría ser el resultado de altas temperaturas posiblemente por muy poco combustible que fluyó en el motor, aunque es demasiado pronto para saber con seguridad. “Vamos a tener que dedicar más tiempo a mirar los datos”.

El cohete estaba preparado en el Complejo 40 de Lanzamiento Espacial, en la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral, en Florida, el sábado por la mañana para el intento. Su hangar está junto a la plataforma de lanzamiento. Shotwell dijo que la compañía está preparada para quitar el motor fuera del cohete si es necesario y poner en un motor ya en el Cabo.

El objetivo de la misión es poner en marcha una cápsula SpaceX Dragon a la Estación Espacial Internacional para demostrar la entrega de carga usando la nave de construcción privada. Sería un logro histórico ya que ninguna nave espacial privada construida se ha acoplado con el laboratorio orbital.

La NASA está trabajando en estrecha colaboración con SpaceX de acuerdo a las disposiciones del contrato de Servicios de Transportación Orbital Commercial.

“Estamos listos para apoyar cuando SpaceX esté listo para ir”, dijo Alan Lindenmoyer, Director de la NASA de la Tripulación Comercial y el Programa de Carga.

Fuente
http://www.nasa.gov/ (en inglés)

Una interfaz de usuario anti-gravedad (video)

Usando imanes y motores controlados por computadora, el investigador Jinha Lee en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) desarrolló una nueva manera de interactuar con las computadoras.

La interfaz, llamada ZeronN, es una bola de metal inteligente y programable que desafía la gravedad. ZeronN levita entre dos unidades de control. Sus movimientos pueden ser pre-programados o puede reaccionar a objetos en su entorno, y puede aprender nuevos movimientos.

El en siguiente video Lee demuestra como puede usarlo para controlar posiciones de una cámara en un entorno tridimensional y el movimiento de los planetas y estrellas.

Más información
Blog de Jinha Lee (en inglés)
http://www.fastcodesign.com/ (en inglés)
http://www.universetoday.com/ (en inglés)

Primera luz de una super-Tierra encontrada

Científicos en una misión que busca calor planetario han detectado la primera luz infrarroja de una super-Tierra – en este caso, un planeta a unos 40 años luz de distancia. Y de acuerdo a sus cálculos, 55 Cancri e, un planeta de apenas el doble de tamaño de la Tierra, está arrojando mucho calor.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

A un tostado de 2038 grados Celcius, el planeta es lo suficiente caliente para licuar acero. Y no hay mucho alivio del calor abrazador: Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y otras instituciones dicen que al planeta le faltan las superficies reflectoras como capas de hielo, en su lugar absorbiendo la mayoría del calor de su estrella – así como los océanos oscuros de la Tierra atrapan calor del sol.

Desde el descubrimiento del planeta en el 2004, científicos han desenterrado varias de sus propiedades; los nuevos hallazgos, publicados en la edición actual de Astrophysical Journal Letters, expanden el perfil físico de 55 Cancri e. El planeta orbita la estrella 55 Cancri, parte de la constelación de Cáncer con forma de cangrejo, que es lo suficientemente brillante para ser visto con el ojo desnudo.

Usando telescopios en el suelo y en el espacio, científicos examinan patrones de luz de una estrella para determinar los rastros de planetas alrededor de él. Reducciones periódicas en la luz estelar indican que un planeta ha transitado, o pasado en frente de, su estrella. De estos datos, los científicos ahora han calculado el radio de 55 Cancri e (el doble del de la Tierra) y la duración de su órbita (18 horas, contra la nuestra de 365 días).

Mientras que el brillo estelar le permite a los investigadores detectar cambios en la luz estelar, es mucho más difícil detectar la luz en cualquier longitud de onda – visible o infrarroja – del planeta mismo.

“Este planeta está tan cercano a la estrella que es irradiado fuertemente”, dice el coautor Brice_olivier Demory, un posdoctorado en el Departamento de Ciencias de la Tierra, Atmosféricas y Planetarias. “Es como en la película ‘Avatar’, donde Pandora orbita el gigante gaseoso Polifemo. Viendo Polifemo desde Pandora da la idea de qué tan grande debería de verse la estrella desde 55 Cancri e”.

Demory dice que aislando el calor del planeta del calor masivo emitido de su estrella sería como detectar el calor de una vela entre un arreglo de 10,000.

Super-Tierra super-caliente

Impávido por dicha tarea, Demory trabajó con Sara Seager, la profesora de Ciencia Física y Planetaria de la clase de 1941 en el MIT, e investigadores del Instituto Kavli para Investigación Astrofísica y Espacial del MIT, la Universidad de Maryland, la Institución Carnegie de Washington y la Universidad de Liege en Bélgica para detectar las emisiones termales del planeta.

El grupo obtuvo observaciones del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, que monitorea radiación infrarroja emitida por objetos en el sistema solar y más allá. Demory y sus colegas fijaron el telescopio en 55 Cancri e, observando la estrella durante una ventana de seis horas durante la que el pequeño exoplaneta pasó dentás de ella – un fenómeno conocido como ocultación.

Demory midió la luz de la estrella antes y después de la ocultación del planeta, descubriendo una reducción de un minuto cuando la estrella eclipsó completamente el planeta. Para asegurarse de que la reducción no era solamente una variación, el equipo obtuvo tres grupos de datos más para la misma ventana orbital, y analizaron todos los cuatro grupos de datos juntos.

“Cuando juntas todos los datos, ves una bella disminución de luz que claramente muestra la luz del planeta que desaparece”, dice el coautor Michael Gillion, investigador principal del programa del telescopio Spitzer. “Esta es la primera vez que vemos la luz de un planeta tan pequeño”.

De la luz infrarroja del planeta, los investigadores calcularon precisamente su temperatura – unos abrazadores 2,038° C. Con tan altas temperaturas, Demory postuló que el planeta es probablemente algo oscuro, no contiene superficies reflectoras como capas de hielo, y probablemente absorbe la mayoría del calor dado por su estrella.

La temperatura del planeta también podría darle a los investigadores una pista sobre su atmósfera. 55 Cancri e orbita su estrella muy similar a como la luna circula la Tierra, siempre presentándole la misma cara. Demory sospecha que mucho del calor de Cancri e se queda en el “lado de día” del planeta, y que sería difícil que circulara tan altas temperaturas al lado oscuro del planeta: En otras palabras, es improbable que el planeta super-caliente tenga vientos fuertes.

Phil Armitage, un profesor asociado de astrofísica en la Universidad de Colorado, dice que es extremadamente difícil para cualquier instrumento – incluyendo el telescopio Spitzer – hacer la detección directa de un exoplaneta. El ve la detección del grupo como “un gran ejemplo de realmente llevar un instrumento a sus límites”.

El añade que la luz infrarroja del planeta ayudará a identificar más características de esta super-Tierra en particular.

“Las super-Tierras son fascinantes objetos por que no tienen ningún análogo en el sistema solar”, dice Armitage. “No tenemos una idea clara de como se formaron o incluso de lo que están hechas. Es un misterio que requiere datos más allá de la masa del planeta y el radio para resolverlo”.

Siguiendo adelante, Demory espera obtener más datos para mapear la luz infrarroja del planeta conforme completa una órbita alrededor de su estrella. Los resultados podrían iluminar las diferentes fases del planeta conforme circula la estrella, similar al creciente y menguante de la luna de la Tierra.

Seager dice que adicionalmente a estudiar el perfil físico de 55 Cancri e, las técnicas del grupo podrían ser adoptadas para encontrar otros exoplanetas en el universo – incluso, quizá, aquellos tan pequeños como la Tierra.

“Estamos yendo hacia planetas más y más pequeños con técnicas que ya están establecidas”, dice Seager. “Una vez que descubres uno, quieres encontrar más. Y hay mucho exoplanetas”.

La investigación está basada en observaciones hechas con el Telescopio Espacial Spitzer, que es operado por el Jet Propulsion Laboratory (JPL – Laboratorio de Propulsión de Jets) y el Instituto de Tecnología de California bajo un contrato con la NASA. Patrocinio para este trabajo fue proporcionado por la NASA a través de una beca dada por JPL/Caltech.

Reimpreso con permiso de MIT News.

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http://web.mit.edu/ (en inglés)

Robots que revelan el funcionamiento interno de células en el cerebro

Robots energía células — Imagen: Boyden Lab

Un nuevo método ofrece una manera automatizada de grabar la actividad eléctrica dentro de las neuronas en el cerebro viviente.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Ganar acceso al funcionamiento interno de una neurona en el cerebro viviente ofrece una riqueza de información útil: sus patrones de actividad eléctrica, su forma, incluso un perfil de qué genes están activados en un momento dado. Sin embargo, alcanzar esta información es una tarea tan dolorosa que es considerada una forma de arte; es tan difícil de obtener que solo un pequeño número de laboratorios en el mundo lo practican.

Pero eso podría cambiar pronto: Investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y Georgia Tech han desarrollado una manera de automatizar el proceso de encontrar y grabar información de neuronas en el cerebro humano. Los investigadores han mostrado que un brazo robótico guiado por un algoritmo computacional detector de células puede identificar y grabar de las neuronas en el cerebro viviente de un ratón con mejor precisión y velocidad que un experimentador humano.

El nuevo proceso automatizado elimina la necesidad de meses de entrenamiento y provee información buscada por mucho tiempo sobre las actividades de células vivientes. Usando esta técnica, científicos podrían clasificar los miles de diferentes tipos de células en el cerebro, mapear como se conectan una con la otra y encontrar cómo las células enfermas difieren de las células normales.

El proyecto es una colaboración entre los laboratorios de Ed Boyden, el profesor asociado de desarrollo de carreras de ingeniería biológica y ciencias cerebrales y cognitivas en el MIT, y Craig Forest, profesor asistente de ingeniería mecánica en Georgia Tech.

“Nuestro equipo ha sido interdisciplinario desde el comienzo, y esto nos ha permitido traer los principios de diseño de máquinas de precisión para apoyar el estudio del cerebro viviente”, dice Forest. Su estudiante graduado, Suhasa Kodandaramaiah, pasó los últimos dos años como estudiante visitante del MIT, y es el autor líder del estudio, que apareció en la edición del 6 de mayo de Nature Methods.

El método podría ser particularmente útil en estudiar enfermedades del cerebro como esquizofrenia, enfermedad de Parkinson, autismo y epilepsia, dice Boyden. “En todos los casos, una descripción molecular de una célula que está integrada con [sus] propiedades eléctricas y de circuito … ha sido elusiva”, dice Boyden, quien es un miembro del Laboratorio de Medios del MIT y el Instituto McGovern para Investigación del Cerebro. “Si realmente podemos describir cómo las enfermedades cambian moléculas en células específicas dentro del cerebro viviente, podría permitir que se encuentren drogas con una puntería más precisa”.

Automatización

Kodandaramaiah, Boyden y Forest se propusieron automatizar una técnica de 30 años de edad conocida como fijación de membranas de célula completa (whole-cell patch clamping), que involucra traer una pequeña pipeta de vidrio hueco en contacto con la membrana celular de una neurona, entonces abriendo un pequeño poro en la membrana para grabar la actividad eléctrica dentro de la célula. Esta habilidad usualmente toma varios meses aprender a un estudiante graduado o posdoctorado.

Kodandaramaiah pasó alrededor de cuatro meses aprendiendo la técnica de fijación de membrana manual, dándole una apreciación de su dificultad. “Cuando me volví razonablemente bueno en eso, pude sentir que aunque es una forma de arte, puede ser reducida a un conjunto de tareas y decisiones estereotipadas que podrían ser ejecutadas por un robot”, dijo.

Para ese fin, Kadandaramaiah y sus colegas construyeron un brazo robótico que baja una pipeta de vidrio en el cerebro de un ratón anestesiado con una precisión micrométrica. Conforme se mueve, la pipeta monitorea una propiedad llamada impedancia eléctrica – una medición sobre qué tan difícil le es a la electricidad fluir fuera de la pipeta. Si no hay células alrededor, la electricidad fluye y la impedancia es baja. Cuando la punta toca una célula, la electricidad no puede fluir tan bien y la impedancia sube.

La pipeta toma dos pasos micrómetricos, midiendo la impedancia 10 veces por segundo. Una vez que detecta una célula, puede parar instantáneamente, previniendo que atraviese la membrana. “Esto es algo que un robot puede hacer que un humano no puede”, dice Boyden.

Una vez que la pipeta encuentra una célula, aplica succión para formar un sello con la membrana de la célula. Entonces, el electrodo puede atravesar la membrana para grabar la actividad eléctrica interna de la célula. El sistema robótico puede detectar células con un 90 por ciento de precisión, y establecer una conexión con las células detectadas alrededor del 40 por ciento del tiempo.

Los investigadores también mostraron que su método puede ser usado para determinar la forma de la células inyectando un colorante; trabajan ahora en extraer los contenidos de la célula para obtener su perfil genético.

Karel Svoboda, un líder grupal en el Campus Janelia Farm del Instituto Médico Hughes, dice que cree que la tecnología será ámpliamente adoptada, ya que remueve las barreras que han prevenido a más investigadores de usar una grabación de fijación de membrana. “Los humanos pueden hacerlo tan bien como la máquina, pero es extremadamente aburrido para una persona. Te cansas, comienzas a cometer errores. El robot puede continuar”, dice Svoboda, quien no fue parte del equipo investigador.

El desarrollo de la nueva tecnología fue patrocinado principalmente por los Institutos Nacionales de la Salud, la Fundación Nacional de Ciencia y el Laboratorio de Medios del MIT.

Una nueva era para la robótica

Los investigadores trabajan ahora en aumentar el número de electrodos para poder grabar de múltiples neuronas a la vez, potencialmente permitiéndoles determinar como las diferentes partes del cerebro están conectadas.

También se encuentran trabajando con colaboradores para comenzar a clasificar los miles de tipos de neuronas encontradas en el cerebro. Esta “lista de partes” del cerebro identificaría neuronas no solo por su forma – que es el método más común de clasificación – sino también por su actividad eléctrica y su perfil genético.

“Si realmente quieres saber que es una neurona, puedes ver la forma, y puedes ver como dispara. Entonces, si sacas la información genética, realmente puedes saber que está ocurriendo”, dice Forest. “Ahora conoces todo. Ese es el cuadro completo”.

Boyden dice que el cree que esto es solo el comienzo de usar robots en la neurociencia para estudiar animales vivientes. Un robot como este podría potencialmente ser usado para entregar drogas en puntos apuntados en el cerebro, o para entregar vectores de terapia genética. El espera que también inspirará a neurocientíficos a perseguir otros tipos de automatización robótica – como en optogenética, el uso de luz para perturbar circuitos neurales apuntados y determinar el papel causal que juegan las neuronas en las funciones cerebrales.

La neurociencia es una de las pocas áreas de la biología en la que los robots todavía deben tener un gran impacto, dice Boyden. “El proyecto genoma fue hecho por humanos y un set gigantesco de robots que harían toda la secuencia del genoma. En la evolución dirigida o en biología sintética, los robots hacen mucha de la biología molecular”, dice. “En otras partes de la biología, los robots son esenciales”.

Otros coautores incluyen al estudiante graduado del MIT Giovanni Talei Franzesi y el posdoctorado del MIT Bian Y. Chow.

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Objetivo: Bacterias resistentes a las drogas

Bacteria resistente a drogas — Imagen: Aleks Radovic-moreno

Ingenieros diseñan nanopartículas que entregan altas dosis de antibióticos directamente a las bacterias.

Anne Trafton, News Office. Original (en inglés).

Durante las últimas décadas, los científicos han enfrentado desafíos en el desarrollo de nuevos antibióticos conforme las bacterias se vuelven más resistentes a las drogas existentes. Una estrategia que podría combatir dicha resistencia sería abrumar las defensas bacteriales usando nanopartículas altamente dirigidas para entregar grandes dosis de antibióticos existentes.

En un paso hacia esa meta, investigadores en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) y en el Hospital de Brigham and Women han desarrollado una nanopartícula diseñada para evadir al sistema inmune y hacer su casa en los sitios de infección, y entonces desatar un ataque de antibióticos enfocado.

Este acercamiento mitigaría los efectos secundarios de algunos antibióticos y protegería las bacterias benéficas que normalmente viven dentro de nuestros cuerpos, dice Aleks Radovic-Moreno, un estudiante graduado del MIT y autor líder de un artículo que describe las partículas en el diario ACS Nano.

El profesor del instituto Robert Langer del MIT y Omid Farokzhad, director del Laboratorio de Nanomedicina y Biomateriales en el Hospital Brigham and Women, son autores principales del artículo. Timothy Lu, un profesor asistente de ingeniería eléctrica y ciencia computacional, y los estudiantes del MIT Vlad Puscasu y Christopher Yoon también contribuyeron a la investigación.

Reglas de atracción

El equipo creó las nuevas nanopartículas de un polímero con una capa de polietilenglicol (PEG), que es usado comúnmente para la entrega de drogas porque no es tóxico y puede ayudar a las nanopartículas a viajar a través del torrente sanguíneo evadiendo detección por el sistema inmune.

Su siguiente paso fue inducir a las partículas a apuntar específicamente bacterias. Investigadores han tratado previamente de apuntar las partículas a las bacterias dándoles carga positiva, que las atrae a las paredes celulares cargadas negativamente de las bacterias. Sin embargo, el sistema inmune tiende a limpiar nanopartículas cargadas positivamente del cuerpo antes de que encuentren a las bacterias.

Para sobrepasar esto, los investigadores diseñaron nanopartículas carga-antibióticos que pueden cambiar su carga dependiendo de su entorno. Mientras que circulan en el torrente sanguíneo, las partículas tienen una ligera carga negativa. Sin embargo, cuando encuentran un sitio de infección, las partículas ganan una carga positiva, permitiéndoles pegarse a las bacterias y liberar su carga de droga.

Este cambio es provocado por el entorno ligeramente ácido que rodea a las bacterias. Los sitios de infección pueden ser ligeramente más acídos que el tejido normal del cuerpo si las bacterias que causan enfermedades se están reproduciendo rápidamente, agotando el oxígeno. La falta de oxígeno dispara un cambio en el metabolismo bacterial, llevándolas a producir ácidos orgánicos. Las células inmunes del cuerpo también contribuyen: Células llamadas neutrófilos producen ácidos conforme tratan de consumir a las bacterias.

Justo por debajo de la capa exterior de PEG, las nanopartículas contienen una capa sensible al pH hecha de largas cadenas del aminoácido histidina. Conforme el pH se reduce de 7 a 6 – representando un incremento en acidez – la molécula polihistidina tiende a ganar protones, dándole a la molécula una carga positiva.

Fuerza abrumadora

Una vez que las nanopartículas se pegan a bacterias, comienzan a liberar su carga de droga, que está incrustada en el núcleo de la partícula. En este estudio, los investigadores diseñaron las partículas para entregar vancomicina, usada para tratar infecciones resistentes a las drogas, pero las partículas podrían ser modificadas para entregar otros antibióticos o combinaciones de drogas.

Muchos antibióticos pierden su efectividad conforme la acidez aumenta, pero los investigadores encontraron que los antibióticos cargados por nanopartículas retuvieron su potencial mejor que los antibióticos tradicionales en un entorno ácido.

La versión actual de las nanopartículas liberan su carga de droga en uno o dos días. “No quieres nada más una pequeña ráfaga de droga, porque las bacterias pueden recuperarse una vez que la droga se ha ido. Quieres una liberación de droga extendida para que las bacterias sean golpeadas constantemente con altas cantidades de droga hasta que han sido erradicadas”, dice Radovic-Moreno.

Young Jik Kwon, un profesor asociado de ingeniería química y ciencia de materiales en la Universidad de California en Irvine, dice que las nuevas nanoportículas están bien diseñadas y podrían tener gran impacto potencial en tratar enfermedades infecciosas, particularmente en países en desarrollo. “La mayoría de la nanotecnología se ha enfocado en la entrega de drogas para cáncer u obtención de imágenes; no mucha gente ha mostrado interés en usar un acercamiento nanotecnológico para enfermedades infecciosas”, dice Kwon, quien no fue parte del equipo investigador.

Aunque se necesita más desarrollo, los investigadores esperan que las altas dosis liberadas por sus partículas podrían eventualmente ayudar a sobrepasar la resistencia bacterial. “Cuando las bacterias son resistentes a las drogas, no quiere decir que dejan de responder, significa que responden pero solo a más altas concentraciones. Y la razón por la que no puedes alcanzar esto clínicamente es porque los antibióticos a veces son tóxicos, o no se quedan en el sitio de la infección el suficiente tiempo”, dice Radovic-Moreno.

Un posible desafio: También hay células de tejido cargadas negativamente y proteínas en sitios de infección que pueden competir con las bacterias en pegarse a las nanopartículas y potencialmente bloquearlas de pegarse a las bacterias. Los investigadores están estudiando qué tanto podría esto limitar la efectividad de su nanopartícula de entrega. También están conduciendo estudios en animales para determinar si las partículas seguirán siendo sensibles al pH en el cuerpo y circularán por el tiempo suficiente para alcanzar sus objetivos.

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Una nueva técnica genera formas complejas y onduladas de forma precisa

Podría ayudar a mejorar la entrega de drogas y explicar patrones naturales desde dobleces cerebrales hasta pimientos.

Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).

Las propiedades flexibles de los hidrogeles – polímeros altamente absorbentes y gelatinosos que se encogen y expanden dependiendo de las condiciones ambientales como la humedad, el pH y la temperatura – los han hecho ideales para aplicaciones desde lentes de contacto a pañales de bebé y adhesivos.

En años recientes, los investigadores han investigado el potencial de los hidrogeles en la entrega de drogas, diseñándolos como vehículos cargadores de drogas que se rompen cuando son expuestos a cierto estímulo ambiental. Dicho vehículos pueden liberar lentamente sus contenidos de una manera controlada; incluso podrían contener más de un tipo de droga, liberada en momentos diferentes o bajo varias condiciones.

Sin embargo, es difícil predecir que tanto hidrogel se romperá, y hasta ahora ha sido difícil controlar la forma en la que un hidrogel se transforma. Nick Fang, un profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), dice que prediciendo cómo los hidrogeles se transforman podría ayudar en el diseño de sistemas más complejos y efectivos de entrega de drogas.

“¿Qué tipo de forma es más eficiente para fluir a través del flujo sanguíneo y pegarse a una membrana celular?” dice Fango. “Con el conocimiento apropiado de cómo se hinchan los geles, podemos comenzar a generar patrones a nuestro antojo”.

Fang y el posdoctorado Howon Lee, junto con colegas en la Universidad Estatal de Arizona, están estudiando la mecánica de hidrogeles que cambian de forma: buscando por relaciones entre la forma inicial de la estructura de un hidrogel, y el medio en el que se transforma, para poder predecir su forma final. En un artículo para Physical Review Letters, los investigadores reportan que ahora pueden crear y predecir formas complejas – incluyendo arrugas con formas de estrella y ondas – de hidrogeles.

Los hallazgos podrían proveer una base analítica para diseñar formas y patrones intrincados a partir de hidrogeles.

De PowerPoint a 3-D

Para crear varias estructuras de hidrogel, Fang y sus colaboradores usaron una configuración experimental que Fang ayudó a inventar en el 2000. En esta configuración, los investigadores proyectaron diapositivas de PowerPoint mostrando varias formas en un vaso de precipitados con hidrogel fotosensible, provocando que asumiera las formas mostradas en las diapositivas. Una vez que la capa de hidrogel se forma, los investigadores repitieron el proceso, creando otra capa de hidrogel encima de la primera y eventualmente construyendo hasta una estructura tridimensional en un proceso parecido a la impresión tridimensional.

Usando esta técnica, el equipo creó formas cilíndricas de varias dimensiones, suspendiendo las estructuras en líquido para observar como se transformaban. Todos los cilindros se transformaron en estructuras onduladas con forma de estrella, pero con diferencias características: cilindros cortos y anchos evolucionaron en estructuras con más arrugas, mientras que los cilindros altos y angostos se transformaron en estructuras menos arrugadas.

Fang concluyó que conforme el hidrogel se expande en el líquido, varias fuerzas actúan para determinar su forma final.

“Este tipo de estructura tubular tiene dos maneras de deformarse”, dice Fang. “Una es que puede doblarse, y otras es que puede abrocharse, o exprimirse. Así que estos dos modos compiten uno con el otro, y la altura dice qué tan duro es para doblarse, mientras que el diámetro dice qué tan fácil es estirarse”.

De sus observaciones, el equipo dibujó un modelo analítico representando la relación entre la altura inicial, diámetro y grosor de la estructura y su forma final. Fang dice que el modelo podría ayudar a los científicos a diseñar formas específicas para sistemas de entrega de drogas más eficientes.

Arrugándose naturalmente

Fang dice que los resultados del grupo también podrían explicar cómo patrones complejos son creados en la naturaleza. Menciona los pimientos – cuyas secciones medias pueden variar ampliamente en forma – como un caso de ejemplo: Pimientos pequeños y picantes tienden a ser triangulares en la sección media, mientras que pimientos más grandes tienen más forma de estrella y son ondulados. Fang especula que lo que determina la forma de un pimiento, y su número de ondas o arrugas, es su altura y diámetro.

Fang dice que el mismo principio podría explicar otras formas intricadas en la naturaleza – desde los pliegues en la corteza cerebral a arrugas en la yemas de los dedos y otros tejidos biológicos que “utilizan inestabilidad mecánica para crear una riqueza de patrones complejos”.

Katia Bertoldi, una profesora asistente de mecánica aplicada en la Universidad de Harvard, dice que los análisis de Fang permitirán a los científicos controlar la expansión y el colapso de dispositivos hechos de hidrogeles y otros materiales suaves.

“Lo que es notable es que hay una coincidencia entre la teoría y la experimentación”, dice Bertoldi. “Puedes usar estos cálculos para fabricar nuevos diseños como sistemas de entrega de drogas y robots suaves. El sistema realmente ofrece nuevos canales para el diseño de estos objetos altamente transformables”.

El equipo planea estudiar y predecir más formas de hidrogel en el futuro para ayudar a los científicos a diseñar vehículos de drogas que se transformen predeciblemente.

La investigación fue patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los Estados Unidos. Colaboradores de la Universidad Estatal de California incluyen a Jiaping Zhang y Hanquing Jiang.

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Comparando manzanas y naranjas

Un nuevo sensor puede medir con precisión la madurez de las frutas, ayudando a prevenir las pérdidas del producto por descomposición.

Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).

Cada año, los supermercados de los Estados Unidos casi pierden el 10 por ciento de sus frutas y vegetales por la descomposición, de acuerdo al Departamento de Agricultura. Para ayudar a combatir esas pérdidas, el profesor de química del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) Timothy Swager y sus estudiantes han construido un nuevo sensor que podría ayudar a los tenderos y a los distribuidores de comida a monitorear mejor su producto.

Los nuevos sensores, descritos en el diario Angewandte Chemie, pueden detectar pequeñas cantidades de etileno, un gas que promueve la madurez en las plantas. Swager visualiza los sensores baratos pegados a las cajas de cartón de productos y escaneados con un dispositivo manual que revelaría la madurez de los contenidos. De esa manera, los tenderos sabrían cuando poner ciertos artículos a la venta para moverlos antes de que se vuelvan demasiado maduros.

“Si podemos crear un equipo que ayude a las tiendas de comestibles a manejar las cosas con mayor precisión, y tal vez reducir sus pérdidas en un 30 por ciento, eso sería enorme”, dice Swager, el profesor de química de John D. MacArthur.

Detectando gases para monitorear el suministro de comida es una nueva área de interés para Swager, cuya investigación previa se ha enfocado en sensores para detectar explosivos o agentes de guerra química y biológica.

“La comida es algo para lo que es realmente importante crear sensores, y vamos tras de la comida en el sentido amplio”, dice Swager. También está detrás de monitores que puedan detectar cuando la comida se vuelve mohosa o desarrolla crecimiento de bacterias, pero como su primer objetivo, eligió el etileno, una hormona de las plantas que controla la madurez.

Las plantas secretan cantidades variantes de etileno a través de su proceso de maduración. Por ejemplo, los plátanos seguirán verdes hasta que liberen el suficiente etileno para comenzar el proceso de maduración. Una vez que la maduración comienza, más etileno es producido, y la maduración se acelera. Si ese plátano amarillo perfecto no es comido en la cima de su madurez, el etileno lo volverá café y aguado.

Los distribuidores de fruta tratan de alentar este proceso manteniendo los niveles de etileno muy bajos en sus bodegas. Dichas bodegas emplean monitores que usan cromatografía de gas o espectroscopia de masa, que separa los gases y analiza su composición. Estos sistemas cuestan alrededor de $1,200 dólares cada uno.

“Justo ahora, es la única vez que la gente monitorea el etileno en estas enormes instalaciones, porque el equipo es muy caro”, dice Swager.

Detectando la madurez

Fundado por la Oficina de Investigación del ejército de los Estados Unidos a través del Instituto para Nanotecnologías del Soldado del MIT, el equipo del MIT construyó un sensor que consiste de un arreglo de decenas de miles de nanotubos de carbono: hojas de átomos de carbono enrolladas en cilindros que actúan como “supercarreteras” para el flujo eléctrico.

Para modificar los tubos para detectar gas etileno, los investigadores agregaron átomos de cobre, que sirven como “topes” (Nota del traductor: Con esto me refiero a los resaltes) para alentar los electrones fluyendo. “Cada vez que pones algo en estos nanotubos, estás haciendo topes, porque estás tomando este sistema perfecto y prístino y le estás poniendo algo”, dice Swager.

Los átomos de cobre ralentizan los electrones un poco, pero cuando el etileno está presente, se une a los átomos de cobre y alenta los electrones aún más. Midiendo qué tanto se alentan los electrones – una propiedad también conocida como resistencia – los investigadores pueden determinar qué tanto etileno está presente.

Para hacer el dispositivo aún más sensible, los investigadores añadieron pequeñas cuentas de poliestireno, que absorben etileno y lo concentran cerca de los nanotubos de carbono. Con su última versión, los investigadores pueden detectar concentraciones de etileno tan bajas como 0.5 partes por millón. La concentración requerida para la maduración de la fruta usualmente es entre 0.1 y una parte por millón.

Los investigadores probaron sus sensores en varios tipos de fruta – plátanos, aguacates (palta), manzanas, peras y naranjas – y fueron capaces de medir precisamente su madurez al detectar qué tanto etileno secretaban las frutas.

El autor líder del artículo describiendo los sensores es Birgit Esser, un posdoctorado en el laboratorio de Swager. El estudiante graduado Jan Schorr también es un autor del artículo.

John Saffell, el director técnico en Alphasense, una compañía que desarrolla sensores, describe el acercamiento del equipo del MIT como rigoroso y enfocado. “Este sensor, si es diseñado e implementado correctamente, podría reducir significativamente el nivel de descomposición de la fruta durante el envío”, dice.

“En cualquier momento dado, hay miles de contenedores de carga en los mares, transportando fruta y esperando que llegue a su destino con el grado correcto de madurez”, añade Saffell, quien no estuvo involucrado en esta investigación. “Sistemas analíticos caros pueden monitorear la generación de etileno, pero en el negocio tan dependiente de los costos que es el envío, no son económicamente viables para la mayoría de la fruta enviada”.

Swager ha aplicado por una patente de la tecnología y espera comenzar una compañía para comercializar los sensores. En trabajos futuros, planea agregar un chip de identificación por radio-frecuencia (RFID – radio-frequency identification) al sensor para poder comunicarse inalámbricamente con un dispositivo manual que mostraría los niveles de etileno. El sistema podría ser extremadamente barato – alrededor de 25 centavos por el sensor de nanotubo de carbono más otros 75 centavos por el chip RFID, estima Swager.

“Esto podría hacerse con electrónicos realmente baratos, con casi nada de energía”, dice.

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